李寧寧，宋克興，周延軍，張彥敏，何　霞

(1.河南科技大學 a.材料科學與工程學院；b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心；c.河南省有色金屬材料科學與加工技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471023；2.西安交通大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710048)

熱處理對Cu-0.23Be-0.84Co合金性能和組織的影響

李寧寧1a,1c，宋克興1a,1b，1c，周延軍1c，2，張彥敏1a,1b,1c，何霞1a,1c

(1.河南科技大學 a.材料科學與工程學院；b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心；c.河南省有色金屬材料科學與加工技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471023；2.西安交通大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710048)

摘要：利用硬度計、導電儀和金相電子顯微鏡，分析了固溶和時效對Cu-0.23Be-0.84Co合金性能和組織的影響。研究結(jié)果表明：Cu-0.23Be-0.84Co合金經(jīng)950 ℃×1 h固溶、480 ℃×4 h時效處理后，綜合性能指標較好，其中，硬度可達117.0HB，導電率達71.6%IACS；在試驗范圍內(nèi)，隨著固溶溫度的升高，晶粒結(jié)構(gòu)形貌相似，未溶物逐漸減少，晶粒尺寸逐漸增大；950 ℃時，晶粒呈等軸狀，大小均勻，固溶較完全；時效后，試驗合金內(nèi)部保留著較清晰的應(yīng)變孿晶，強化相在晶界處不連續(xù)析出、集聚而產(chǎn)生黑色組織，且黑色組織數(shù)量隨著時效時間的延長不斷增多。

關(guān)鍵詞：Cu-Be-Co合金；熱處理；硬度；導電率；顯微組織

基金項目：國家自然科學基金項目(51345011);河南省杰出人才基金項目(134200510011);河南省科技攻關(guān)基金項目(112102210177);教育部團隊發(fā)展計劃基金項目(IRT1234)

通信作者

作者簡介：李寧寧(1988-),女,河南開封人,碩士生;宋克興(1967-),男,,教授,博士,碩士生導師,主要研究方向為有色金屬材料-成型-工藝一體化開發(fā)和高強高導銅合金的研制.

收稿日期：2014-08-29

文章編號：1672-6871(2015)02-0010-04

中圖分類號：TG146.1

文獻標志碼：志碼：A

0引言

鈹青銅是含鈹(Be質(zhì)量分數(shù)為0.20%～2.75%)的銅基合金，根據(jù)鈹?shù)暮靠煞指邔?電、熱)鈹青銅(Be質(zhì)量分數(shù)為0.20%～0.60%)和高強鈹青銅(Be質(zhì)量分數(shù)為1.60%～2.00%)。鈹青銅具有典型的時效析出強化特征，即經(jīng)固溶+時效析出強化處理后，具有較高的硬度、導電率等綜合性能，其力學性能即強度、硬度、耐磨性和耐疲勞性能等居銅合金之首，是所有鈹合金中用途最廣的一種，其用量在當今世界已超過鈹消費總量的70%。鈹青銅廣泛應(yīng)用于制造精度高、形狀復(fù)雜的模具的鑲嵌件、焊接電極材料、耐磨耐蝕工作及電子產(chǎn)品等，是國民經(jīng)濟建設(shè)不可或缺的工業(yè)材料[1-3]。

目前，國內(nèi)外針對普通國標牌號(如QBe2)高強鈹青銅合金熱處理工藝方面的研究較多，如文獻[4-6]對高強鈹青銅的真空時效、分級時效等不同的熱處理工藝進行了研究，而針對鈹含量較少的高導鈹青銅熱處理強化方面的研究則相對較少。本文旨在研究Cu-0.23Be-0.84Co合金不同固溶、時效熱處理工藝對導電率和硬度的影響，使其獲得優(yōu)良的綜合性能，并確定其最佳熱處理工藝，以期為該合金后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

1試驗材料和方法

合金的制備采用非真空中頻感應(yīng)熔煉爐熔煉、金屬模脫模，經(jīng)扒皮、鋸切后熱鍛成φ20 mm圓棒，并冷拉拔至φ16 mm。在圓棒上截取長度為15 mm的圓柱試樣，固溶和時效在管式電阻爐中進行，爐子正常工作時溫度波動為±5 ℃。固溶溫度分別為890 ℃、910 ℃、930 ℃、950 ℃、970 ℃，固溶時間為1 h，固溶處理后水淬；時效溫度分別為460 ℃、480 ℃、500 ℃，時效時間為0.5~8.0 h，冷卻方式為空冷。

利用化學分析法對制備的合金鑄錠進行成分檢測；用D60K數(shù)字金屬電導率測試儀測定合金的室溫導電率，導電率用國際退火銅標準(%IACS)表示；使用 HB-3000型硬度計測量布氏硬度，壓頭直徑為φ5 mm，加載載荷為250 N，加載時間為30 s，每個試樣多次測量并取其平均值；試樣用FeCl3、無水乙醇和濃鹽酸混合液進行侵蝕處理后，在倒置式光學金相顯微鏡(OLYMPUS PMG3型)下觀察其微觀組織。

2試驗結(jié)果與分析

2.1　合金化學成分

制備的Cu-Be-Co合金試樣最終化學成分為Cu-0.23Be-0.84Co(質(zhì)量分數(shù))。

2.2　固溶溫度對合金硬度和導電率的影響

在進行合金固溶時應(yīng)選擇合理的固溶工藝，以便在熱處理后獲得較好的析出強化效果，同時消除合金內(nèi)的偏析。圖1為合金經(jīng)不同溫度固溶處理后的硬度和導電率變化曲線。由圖1可見：保溫時間一定時，隨固溶溫度的升高，合金硬度逐漸降低而導電率則逐漸升高。隨著固溶溫度的升高，溶質(zhì)原子進入銅基體中數(shù)量逐漸增多，銅基體中第二相逐漸增多，此時溶質(zhì)原子的固溶強化大于第二相的強化作用，所以硬度逐漸下降；晶界對傳導電子有散射作用，隨著固溶溫度的增加，合金晶粒急劇長大，晶界面積減少，傳導電子的活動能力加強，合金的導電率上升。綜合考慮，選擇固溶溫度為950 ℃較為合理。

圖1　固溶溫度對合金硬度和導電率的影響

2.3　時效溫度對合金導電率和硬度的影響

圖2是合金經(jīng)950 ℃固溶，在不同溫度、不同時間時效處理后，導電率與時效時間的關(guān)系曲線。從圖2中可看出：在時效初始時至時效2 h內(nèi)，不同時效溫度下合金導電率均快速增加，隨時效時間的延長，導電率上升緩慢，至時效4 h時達到最大值后有小幅度降低。固溶體中導電率的變化主要與固溶體中合金元素的多少和空位等缺陷有關(guān)[7]。試驗合金固溶處理后得到過飽和固溶體，因此時效初期晶體內(nèi)部缺陷密度較高，合金元素有較高的自由能而快速析出，進而降低試驗合金內(nèi)部晶格畸變程度，減弱對傳導電子的散射作用，導電率以較快速度上升；隨著時效時間的延長，試驗合金基體中合金元素濃度降低，析出動力減弱，導電率的上升趨勢緩慢；當時效溫度過高時，部分溶質(zhì)原子發(fā)生固溶。因此，當時效時間為4 h時，合金導電率達到峰值，時效4 h之后合金導電率有所下降，其原因可能是時效溫度選擇過高。

圖3是合金在不同溫度下，時效處理后的硬度與時間關(guān)系的曲線。由圖3可看出：在試驗溫度范圍內(nèi)，合金硬度隨時效時間的延長先迅速升高，至峰值(460 ℃、480 ℃、500 ℃的峰值分別為123.0HB、117.0HB、112.3HB)后有所下降。這是由于時效初始時，析出物快速析出，第二相的密度迅速增大，對位錯的阻礙作用增大[8]，合金硬度和強度較快升高；隨著時效時間的延長，析出物微粒粗化，間距增大，強化效果降低，硬度開始下降。對于時效析出硬化型合金來說，在一定的條件下，時效溫度越高，達到時效峰值的時間越短，但溫度過高時容易出現(xiàn)過時效現(xiàn)象，使峰值降低[9-10]。因此，溫度越高，上升速度越快，對應(yīng)的峰值越低。

圖2 時效處理對合金導電率的影響 圖3 時效處理對合金硬度的影響

為使合金符合實際生產(chǎn)條件，需找到合金強度和導電率的最佳組合，以確定該合金的的最佳形變熱處理工藝。以上述不同溫度和時間時效后的硬度和導電率為基礎(chǔ)，對其分別進行標準化(硬度·導電率標準值=(硬度/硬度最大值)×(導電率/導電率最大值))。以硬度·導電率標準化值為縱坐標，以時效時間為橫坐標[11]，繪制出如圖4所示的曲線。從圖4中可以看出：當時效480 ℃×4 h時合金硬度和導電率的組合最優(yōu)，此時合金硬度為117.0HB，導電率為71.6%IACS。

圖4　時效處理對合金硬度·導電率標準化值的影響

2.4　熱處理對合金顯微組織的影響

圖5為合金在不同保溫溫度固溶1 h的金相微觀組織。由圖5可以看出：晶粒結(jié)構(gòu)形貌相似，且有孿晶出現(xiàn)，隨著固溶溫度的升高，晶粒尺寸逐漸增大。溫度較低(見圖5a和圖5b)時，富鈹相不能完全固溶于基體中，晶粒均勻性差，易在時效時出現(xiàn)不連續(xù)脫溶；隨著固溶溫度的升高(見圖5c)，合金殘留的未溶物相相對減少，晶粒大小仍不均勻；在950 ℃、970 ℃(見圖5d和圖5e)時，晶粒呈均勻等軸狀，固溶較完全，但溫度過高(970 ℃)導致晶粒尺寸有增大的趨勢。從圖1中可以看出：導電率一直降低而硬度逐漸升高，由此可知固溶溫度越高固溶效果越好，但970 ℃時晶粒已經(jīng)開始長大，有向過燒發(fā)展的趨勢，故此合金固溶溫度選在950 ℃為宜。

圖5　試驗合金經(jīng)不同溫度固溶處理后的顯微組織

鈹青銅固溶處理后得到過飽和α相固溶體，α相固溶體不穩(wěn)定，在隨后的時效過程中沉淀析出，溶質(zhì)原子在α晶內(nèi)先經(jīng)過鈹?shù)母患纬擅嫘募蠎B(tài)，即吉尼爾·普雷斯頓區(qū)(G.P.區(qū))。G.P.區(qū)尺寸隨著時效溫度的提高和時效時間的延長急劇長大，其內(nèi)的溶質(zhì)原子有序化而形成亞穩(wěn)定狀態(tài)的γ’相，最后變成穩(wěn)定的平衡態(tài)γ相析出并長大[12]。其過程可表示為：

α→G.P.區(qū)→α+γ’→α+γ。

形成G.P.區(qū)和γ’亞穩(wěn)相促使α晶格產(chǎn)生畸變，即引起鈹青銅的沉淀硬化；穩(wěn)定的平衡態(tài)γ相會破壞與α相的共格關(guān)系，因此，當穩(wěn)定的γ相開始形成并聚集長大時，合金的機械性能開始下降和惡化，即進入過時效狀態(tài)。

時效強化型合金的時效過程一般分為3個階段：欠時效、峰值時效和過時效。合金在時效溫度為480 ℃時，保溫0.5 h、4.0 h、8.0 h的顯微組織如圖6所示。從圖6中可以看到:晶粒內(nèi)均保留著較明顯的孿晶，這種孿晶是前期冷變形時應(yīng)力未消除留下的，合金晶粒內(nèi)的這種特征有利于在第二相析出時獲得更加細小彌散的析出相，當析出相的數(shù)量和尺寸達到理想狀態(tài)時，時效強化效果最佳；另外，在晶界附近有隨著時間延長逐漸增多的黑色瘤狀組織，即γ相[13-14]，形成黑色瘤狀組織的原因是析出相在晶界內(nèi)的不連續(xù)析出，造成合金硬度值先升高后降低(硬度分別達到82.3HB、117.0HB和110.0HB) (見圖2)。結(jié)合試驗合金不同時效時期的硬度及黑色瘤狀組織數(shù)量可以看出：圖6a處于欠時效階段，圖6b為峰值時效，而圖6c則為過時效。

圖6　試驗合金在480 ℃不同時效階段的顯微組織

3結(jié)論

(1) Cu-0.23Be-0.84Co試驗合金最佳的熱處理工藝為：950 ℃×1 h固溶+480 ℃×4 h時效，可獲得117.0HB的硬度和71.6%IACS的導電率。

(2)在試驗范圍內(nèi)，晶粒結(jié)構(gòu)形貌相似，且有孿晶出現(xiàn)，隨著固溶溫度的升高，晶粒尺寸逐漸增大；950 ℃時，晶粒呈均勻的等軸狀，固溶較完全。

(3)合金在時效后保留著較清晰的應(yīng)變孿晶，強化相優(yōu)先在晶界處不連續(xù)析出而產(chǎn)生黑色瘤狀組織，且其數(shù)量隨著時效時間的延長不斷增多。

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